基于物联网的智能家居系统设计.docx
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基于物联网的智能家居系统设计
《物联网应用于实践》
课程报告
物联网技术在智能家居中的应用
学年学期:
2014-2015学年下学期
专 业:
电子信息科学与技术
学 号:
*********
授课班号:
0312411
*******
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摘要
随着科学技术的快速发展以及生活水平的不断提高,智能家居的概念开始走向大众并成为一段时间以来科技界的热门话题之一。
由于其广阔的应用前景和巨大的潜在市场需求,各大电子厂商纷纷投入到智能家居系统的研发中,并已取得了长足的进步,世界上各种不同的智能家居产品相继问世,极大的方便了人们的生活。
本文研究基于物联网的智能家居系统。
文章首先介绍了智能家居和物联网技术,然后介绍了物联网在智能家居中的应用现状。
无线传感器节点是组成智能家居系统的基础单元,是本文设计的重点。
本文综合考虑智能家居低功耗、低成本、传输距离短等特点,选择ZigBee技术搭建智能家居无线网络,选择星型网络拓扑结构作为智能家居网络结构。
硬件方面,本文首先根据各节点的功能确定了各节点的结构框架,选择CC2430芯片为ZigBee核心芯片设计ZigBee模块,选择STM32F103VET6微控制器设计核心模块,在此基础上完成节点各模块的硬件设计。
软件方面,也使用模块化的设计方法,不同模块之间的通信通过通信接口进行,这样做有利于软件系统的开发、维护和更新。
本文设计的智能家居系统能够实现监控、报警、控制等功能,虽然不足以反映现代智能家居系统的全貌,但是在某些方面体现出智能家居的方便性和实用性,以及广泛的应用前景。
关键词:
智能家居、物联网、无线传感器网络、ZigBee,CC2430
摘要...............................................................................................................................................................І
第一章绪论................................................................................................................................................1
1.1引言.................................................................................................................................................1
1.2智能家居概述................................................................................................................................1
1.2.1智能家居起源.......................................................................................................................1
1.2.2智能家居系统简介..............................................................................................................1
1.2.3智能家居发展现状..............................................................................................................2
1.3物联网概述....................................................................................................................................3
1.3.1物联网的定义......................................................................................................................3
1.3.2物联网网络结构................................................................................................................3
1.3.3物联网国内外发展现状....................................................................................................4
1.4物联网在智能家居中的应用现状................................................................................................4
1.5课题的研究内容.............................................................................................................................4
第二章智能家居系统总体结构............................................................................................................5
2.1设计需求........................................................................................................................................5
2.2总体设计方案................................................................................................................................5
2.3拓扑结构的选择.............................................................................................................................7
2.4系统硬件结构设计.........................................................................................................................7
2.4.1末端节点结构............................................................................................................................7
2.4.2家庭网关节点结构.....................................................................................................................8
2.5软件总体结构设计...............................................................................................................................8
第三章智能家居系统硬件设计..........................................................................................................8
3.1硬件设计流程................................................................................................................................8
3.2模块确定和核心芯片的选择.......................................................................................................9
3.3通信模块设计................................................................................................................................10
3.3.1ZigBee模块设计................................................................................................................10
3.4采集模块设计...............................................................................................................................12
3.4.1温度传感器模块...............................................................................................................12
3.4.2湿度传感器模块...............................................................................................................13
3.4.3火警监测模块...................................................................................................................14
3.4.4煤气检测模块.....................................................................................................................15
3.4.5红外帘幕传感器模块........................................................................................................16
3.5末端控制节点...............................................................................................................................16
第四章智能家居系统软件设计..........................................................................................................17
4.1软件设计流程和开发平台...........................................................................................................17
4.2采集节点软件设计.......................................................................................................................18
4.3控制节点软件设计........................................................................................................................18
4.4网关节点软件设计........................................................................................................................19
全文总结....................................................................................................................................................20
参考文献....................................................................................................................................................20
第一章绪论
1.1引言
随着科学技术的快速发展,各种高科技家居产品越来越多的被应用到我们的日常生活中,人们对生活质量的要求也越来越高,对家居智能化的要求也越来越高,因此产生了智能家居的概念。
智能家居最开始被定义为:
将家庭中各种跟信息有关的通信设备、家用电器和安防设备通过HBSCHomeBusSystem,家庭总线技术)连接到家庭智能系统上进行集中监视、控制和管理,以保持住宅环境的舒适、安全与和谐。
自从自智能家居的概念问世以来,智能家居得到了很大的发展,各种产品相继被推出,被广泛应用于家庭安防、家庭环境控制等方面,给人们的生活带来的很大的方便,具有广泛的应用前景。
相对于的智能家居,物联网的概念出现得更晚,随着IBM公司2008年提出“智慧地球”概念,物联网的概念更加贴近人们的生活。
物联网主要是把局域传感网络和目前发展已经十分成熟的互联网连接在一起,从而实现对被感知物体的监测和控制。
物联网的出现为智能家居技术带来了全新的解决方案,同时,我国政府推出的三网融合政策也为智能家居的发展提供了政策上的大力支持,随着3G技术的发展和三网融合政策的大力推行,智能家居和物联网的关系也变得更加紧密。
本课题是基于物联网的智能家居的研究,通过大量的传感器采集用户住宅环境,然后分析这些采集到的数据,为用户提供智能服务。
与普通家居相比,智能家居提高了人们的生活品质,极大的方便了用户。
1.2智能家居概述
1.2.1智能家居起源
智能家居是IT技术、控制技术和网络技术向传统的家电产业渗透的必然结果。
随着近年来信息化的高速发展、通信的自由化和高层次化、业务量的高速增长和人们对工作和生活环境的安全性、舒适性以及高效性要求的提高,社会对智能家居的需求大大增加;此外在技术方面,电子信息通讯技术和计算机控制技术的发展,也促成了智能家居的诞生。
上个世纪80年代初,大量采用电子技术的家电产品进入市场,产生了住宅电子化的概念。
80年代中期,将家电和通信设备以及安防设备的功能综合后形成了住宅自动化的概念。
80年代末,在美国出现了通过总线对家居中各种通信设备、安防设备等进行控制和管理的系统,称为SmartHome,这就是现代智能家居的原型。
1.2.2智能家居系统简介
现代智能家居系统一般可以分为内网、外网和网关三部分。
其中内网是负责连接各种家电和其他设施的局域网,外网一般是小区局域网,Internet等,功能是实现远距离传输,网关的作用是连接内网和外网,实现外网对内网的控制智能家居系统结构如图1.1所示。
图1.1智能家居系统结构图
目前智能家居系统的功能主要由以下几个方面:
家电智能控制:
对家电进行自动控制,如根据室内温度自动幵关空调或调解空调的工作状态。
灯光智能控制:
根据室内的光线强度自动调节照明设备的开关或照明强度。
以保持室内光线在合适的亮度。
家庭智能安防功能:
目前家庭安防系统的主要功能是监控火警、煤气泄漏和非法闯入等。
一旦出现以上情况,安防系统将有助于事件得到紧急处理以降低损失。
此外,智能家居还包括家居布线系统、家居网络系统等方面。
由于技术和成本等方面的限制,目前还没有出现真正意义上完全的智能家居系统,但是利用无线传感器技术强大的扩展能力,只要在设计系统时预留相应的扩展接口,在需要添加设备或更新技术时不需要对现有系统进行改造,只需要通过FIRMWARE升级和节点的扩充即可实现系统的升级。
1.2.3智能家居发展现状
自从世界上第一幢智能建筑于1984年在美国出现以后,美国、欧洲、澳大利亚等很多国家先后提出了智能家居的解决方案,智能家居在这些国家有着很广泛的应用,虽然智能家居技术是一个新兴的概念,而且刚处于起步的阶段,但是它的其市场前景已经被很多大公司一致看好,Intel,IBM,Microsoft,Sony等世界著名企业早己涉足该领域,它们陆续成立了研究智能家居技术的子公司。
美国硅谷也己经把网络信息服务技术融入到家庭的应用作为当前技术发展的重点方向。
很多世界知名的风险资本公司和各大电子公司都纷纷开始进行密切合作,以巨额的研发经费来支持智能家居的研发和设计。
同时,很多规模较小的电子企业也将研发重心放在智能家居领域,希望以快速推出产品和创新来抢占市场,以在市场竞争中占得先机。
从小规模的产品如很小体积的支持流媒体和各种视频格式的网络浏览器,到较大规模的智能家居系统,各种智能家居产品相继问世,给人们的生活带来了极大的方便。
在国内,经过十余年的发展,智能家居技术正在走向成熟,出现了智能小区的概念。
随着科学技术的发展和数字化时代的到来,家用电器越来越智能化,以及人们生活水平的提高,智能小区的概念为越来越多的人所接受,智能家居将得到更大的发展。
1.3物联网概述
1.3.1物联网的定义
物联网的概念最早是在1999年被提出的,它的英文名是InternetofThings(IOT),也称为WebofThings2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会上,国际电信联盟在于突尼斯举行的信息社会世界峰会上,发布了《ITU互联网报告2005:
物联网》,正式提出了“物联网”的概念。
博欣将物联网定义为通过各种信息传感设备、装置和技术,实时采集所有需要监控、连接、互动的物体和过程,采集其光、声、热、电、力学、生物、化学、位置等各种人们需要的信息,再结合互联网形成一个巨大的网络,以实现物体与物体,物体一与人、物品与网络之间的连接,方便识别、管理和控制。
1.3.2物联网网络结构
目前一般讲物联网网络架构分为三个层次,分别为感知层、网络层和应用层。
其结构如图1.2所示。
图1.2物联网网络架构
感知层的主要作用是完成数据的釆集,包括传感器和短距离传输M络两个部分。
传感器部分实现了对数据的采集,而短距离传输网络负责将传感器釆集到的数据传输到网关。
网络层的主要作用是传递信息,它是基于现有的通信网络和互联网建立的,包括接入单元和接入网络两个组成部分。
接入单元负责接收感知层发送过来的数据,并将数据传输至接入网络。
接入网络即为现有的各种通信网络,包括有线电话网、移动通信网等。
用户通过接入网络将数据传入互联网。
应用层的主要作用是对数据进行管理和处理,并与物联网的各种应用相结合。
物联网应用层包括中间件和物联网应用两个部分。
中间件是一个独立的软件或服务程序,用于将一些公用能力统一封装以提高应用的开发效率。
物联网应用即各种供用户使用的应用,如家庭安防等。
1.3.3物联网国内外发展现状
自物联网的概念问世以来,物联网已经得到了很大的发展,被应用于交通、物流、电力、工业等很多领域。
目前美欧及日韩等发达国家在物联网应用的广度和深度等方面处于领先地位。
在国内,物联网的应用总体还处于发展初期,虽然国内开展了一系列物联网有关的项目,在电力、医疗卫生、公共服务等领域取得了一些进展,但总体来说,国内物联网技术跟发达国家相比还有很大差距。
1.4物联网在智能家居中的应用现状
目前物联网在智能家居中的应用主要集中在家庭自动化和家庭智能安防系统等方面。
所谓家庭自动化,即在传统的家用电器如冰箱、空调中嵌入传感器和执行器,使之成为智能家电,成为传感器网络的一个节点,并通过Internet与外部网络互联,使用户可以很方便地对家电进行远程操作。
所谓智能安防系统,即在住宅中安放一些监测火警、煤气泄漏等状况的传感器节点,一旦发生意外状况,这些节点会将危险信息发送给终端,并及时发出警报,以使险情能够及时得到处理。
1.5课题的研究内容
本文研究基于物联网的智能家居系统,首先研究了智能家居和物联网技术的特点和国内外研究现状,对系统的原理和设计需求进行了阐述,确定了组成系统所需要的三种节点(采集节点、控制节点、网关节点),并对每种节点的功能进行了描述,然后根据节点功能对各节点硬件电路进行了设计。
论文采用CC2430芯片作为终端节点(采集节点和控制节点)的主芯片,采用STM32F103VET6芯片作为网关节点的主芯片,对系统所需要的各个模块,如各个传感器模块、通信接口模块及其外围电路进行设计。
软件设计方面,本文选用IARSystem的IAREmbeddedWorkbenchIDE开发平台进行开发,介绍了软件开发流程并在各节点功能的基础上介绍了各节点软件工作流程。
第二章智能家居系统总体结构
2.1设计需求
本文设计一种基于物联网的智能家居系统,根据智能家居系统的特点,该系统需要具有如下几种功能:
1)室内舒适度自动调节功能:
监测室内空气舒适度(温度和湿度)并能够根据室内温度和湿度度的变化自动控制空调(或窗户)以使室内温度和湿度达到用户设定的范围;
2)安防功能:
监测住宅内火灾、煤气泄漏、人员非法闯入等状况并及时发出警报(通过蜂鸣器报警);
3)Internet/GSM通信功能:
由于在现代生活中常常发生家中无人的情况,当住宅内发生火灾、煤气泄漏等情况而用户不在住宅内使上述功能2不足以通知用户时,系统还应
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- 基于 联网 智能家居 系统 设计